[论文解读] Independent operation of two waveguide-integrated quantum emitters

Camille Papon, Ying Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用 6

一句话总结

该论文通过双模波导和局域 p-i-n 结，实现了单个光子集成电路中两个集成在波导内的 InAs 量子点的独立共振激发与电调谐。其两光子量子干涉可见度达到 (79±2)%，证明了可扩展量子光子学中相干片上操作的必要性。

ABSTRACT

We demonstrate the resonant excitation of two quantum dots in a photonic integrated circuit for on-chip single-photon generation in multiple spatial modes. The two quantum dots are electrically tuned to the same emission wavelength using a pair of isolated $p$-$i$-$n$ junctions and excited by a resonant pump laser via dual-mode waveguides. We demonstrate two-photon quantum interference visibility of $(79\pm2)\%$ under continuous-wave excitation of narrow-linewidth quantum dots. Our work solves an outstanding challenge in quantum photonics by realizing the key enabling functionality of how to scale-up deterministic single-photon sources.

研究动机与目标

• 解决在单个光子集成电路中扩展确定性单光子源的挑战。
• 克服自组装量子点存在的光谱非均匀性及缺乏独立控制的问题。
• 通过双模波导实现多个发射器使用同一激光源的同步共振激发。
• 利用独立的 p-i-n 结实现对量子点的独立电场斯塔克调谐，使其达到相同发射波长。
• 通过高保真度两光子量子干涉实验，为可扩展性与相干性提供基准验证。

提出的方法

• 采用双模波导结构，其中 TE1 模式用于实现共振激发，TE0 模式用于收集单光子。
• 在每个量子点附近制造独立的 p-i-n 结，以实现对量子点的独立电场斯塔克调谐。
• 利用偏振分束光栅（PDG）将同一束激光分成两路，分别照射两个发射器，确保拉比频率相等。
• 施加连续波共振激发，并测量二阶相关函数 g(2)(τ) 以确认单光子发射特性。
• 通过分束器进行两光子量子干涉（HOM）测量，以评估光子的不可区分性。
• 假设噪声为不相关，建立光谱漂移效应的模型，并与实验数据对比，以评估噪声相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过局域电门实现对两个波导集成量子点的独立调谐，使其达到相同发射波长？
• RQ2 在单芯片上对两个独立激发的量子点是否可实现相干两光子量子干涉？
• RQ3 缓慢的光谱漂移与噪声相关性如何影响独立控制发射器的两光子干涉可见度？
• RQ4 激光抑制与滤波性能在 HOM 实验中对可见度的限制程度如何？
• RQ5 双模波导架构是否能够支持多个量子发射器的可扩展集成，并保持高不可区分性？

主要发现

• 该器件实现了 (79±2)% 的两光子量子干涉可见度，证明了来自两个独立控制量子点的光子具有高度不可区分性。
• 通过独立的 p-i-n 结实现电场调谐，成功克服了固有的非均匀展宽，实现了两个量子点的光谱对准。
• 实测的 HOM 可见度主要受限于残留的 g(2)(0) 值和激光泄漏，而非光谱漂移效应。
• 发现两个量子点之间的光谱漂移噪声存在部分相关性，相较于不相关噪声模型，其负面影响有所降低。
• 两个发射器均表现出窄线宽和高相干性，证实了接近变换极限谱特性的高保真度光子-发射器接口。
• 该平台具备可扩展性：双模波导与局域调谐设计可进一步扩展至集成两个以上发射器于片上。